JP2918974B2 - 静電アクチュエータ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、静電力を利用して負荷の駆動を行うように
した静電アクチュエータ、特には産業用ロボット，精密
機械，自動車機器部品，家庭電化製品,OA機器，医療用
機器などの機構部分の駆動に利用される静電アクチュエ
ータに関する。

（従来の技術） 従来より、産業用ロボット，精密機械，自動車機器部
品，家庭電化製品,OA機器，医療用機器などの構成部分
の駆動には、専らサーボモータ，リニアモータ，ステッ
ピングモータなどの磁気式のアクチュエータが使用され
ている。

しかるに、上述のような機構部分を駆動するためのア
クチュエータにおいては、近年、その高出力密度化，駆
動パターンの複雑化，微小変位の制御などを必要とする
技術需要が増えつつある。しかしながら、従来の磁気方
式によるアクチュエータでは、斯様な技術的要求を全て
満足させることができなくなってきた。

そこで、近年においては、出力／重量比及び出力／容
積比に優れた静電アクチュエータが、上記技術的要求を
磁気式アクチュエータに代わって満足させる可能性があ
るものとして注目されている。この場合、静電アクチュ
エータは、基本的には、コンデンサを形成するように配
置された複数対の電極間に誘電体（或はエレクトレッ
ト）を配置して成るものであり、前記電極間に電圧が印
加されたときに電極及び誘電体間に推力が生起される構
成となっている。

（発明が解決しようとする課題） 上述のような静電アクチュエータにおいて、所定の出
力を得るためには、各電極対毎に独立して任意の電位分
布が得られることが必要である。しかしながら、隣接す
る電極対に同時に電圧が印加された場合、それら電極対
は、電圧印加状態で夫々の近傍の電位に互いに影響を及
ぼし合うものである。このとき特に、隣接する電極対間
の空間部（電極が存在しない部位）の電位分布は大きな
影響を受けるものであり、甚だしい場合には、２以上の
電極対を備えたにも拘らず、１対の電極対を備えたもの
と同等の電位分布しか得られないことがあり、結果的に
所定の出力に達しないことがある。従って、このような
事態を防止するためには、電極対同士間の距離をある程
度大きく設定する必要がある。

一方、静電力はμｍからnmオーダーの微小なスケール
で電磁力より有効になるものであり、静電アクチュエー
タはきわめて小形のものにならざるを得ない。また、静
電アクチュエータの推力は、電極対と誘電体とから成る
基本単位アクチュエータの数に略比例するものである。
従って、小さなスペースに電極対を稠密実装すること
が、静電アクチュエータを実用化する上での大きなキー
ポイントとなっている。しかしながら、前述したよう
に、静電アクチュエータにおいては電極対同士間の距離
をある程度大きく設定する必要も存在するため、従来の
静電アクチュエータでは電極対を稠密実装すること自体
が不可能であり、この点が未解決の課題となっていた。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その
目的は、多数の電極対の稠密実装を、各電極対毎に独立
した任意の電位分布を得た状態で行うことができ、以て
出力／重量比及び出力／容積比を大きくすることが可能
になるなどの効果を奏する静電アクチュエータを提供す
るにある。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明は上記目的を達成するために、コンデンサを形
成するように均等配置された複数対の電極間に当該電極
の配置間隔と同等の間隔で複数の誘電体を配置すると共
に、それら複数対の電極のうち隣接する電極対に同時に
電圧を印加するようにした静電アクチュエータにおい
て、前記電極のうち隣接するもの同士間に導電材料製の
電界分離板を各電極と絶縁した状態で配置する構成とし
たものである。

（作用） 隣接する電極対に同時に電圧を印加した場合、各電極
対により形成されるコンデンサが同時に充電されるの応
じて、それら電極間に配置された複数の誘電体が上記コ
ンデンサの静電エネルギを減らす方向へ移動される。こ
の場合、上記複数の誘電体は、均等配置された複数対の
電極間に当該電極の配置間隔と同等の間隔で配置されて
いるから、各誘電体に作用する移動力は、同時に発生す
ることになり、結果的に大きな移動力（推力）を得るこ
とができる。このように電極対に同時に電圧が印加され
た状態では、各電極対は夫々の近傍の電位に互いに影響
を及ぼし合うようになる。このとき、隣接する電極間に
は導電材料製の電界分離板が設けられているから、それ
らの電極対による各電位分布曲線が上記電界分離板によ
り分離された状態となり、結果的に各電極対毎に独立し
て任意の電位分布が得られるようになる。従って、多数
の電極対を、それらの間の距離を小さくして稠密実装し
た場合においても、各電極対毎に独立した任意の電位分
布を確保することができ、これにて出力／重量比及び出
力／容積比の増大を実現できる。

（実施例） 以下、本発明の複数の実施例について図面を参照しな
がら説明するに、まず各実施例の基本原理について第５
図に基づいて説明する。

即ち、第５図には静電アクチュエータの固定子の概略
構成が示されている。同図（ａ），（ｂ），（ｃ）にお
いて、互いに所定間隔を存して平行配置された１対の電
極支持体1,2には、電極3a,3b及び電極4a,4bの各対が互
いに対向するように支持固定されており、これにて電極
3a,3b及び電極4a,4bの各対により２個のコンデンサが形
成される。

この場合、第５図（ａ）に示すように、電極3a,3b間
に直流電源５の出力電圧を印加してそれら電極3a,3bに
より形成されるコンデンサを充電すると、破線で示すよ
うな電位分布曲線EP1が得られる。また、第５図（ｂ）
に示すように、電極4a,4b間に直流電源６の出力電圧を
印加してそれら電極4a,4bにより形成されるコンデンサ
を充電すると、破線で示すような電位分布曲線EP2が得
られる。

しかし、直流電源5,6により上記両コンデンサを同時
に充電した場合には、隣接する電極3a,3b及び4a,4bの各
対が夫々の近傍の電位に互いに影響を及ぼし合うように
なるため、電極3a,3b及び4a,4bの各対に挟まれた部位の
電位分布は大幅に変化する。即ち、第５図のように隣接
する電極3a,3b及び4a,4bの各対が比較的近接している場
合には、同図（ｃ）に破線で示すように、２対の電極3
a,3b及び4a,4bがあたかも一つの電極対になったと同等
の電位分布曲線EP3を示すようになり、各電極対毎に独
立した電位分布を得ることができない。

この場合、第５図（ｄ）に示すように、隣接する電極
3a,4a間及び電極3b,4b間に導電性の高い材料７及び８を
設置すると、電極3a,3b及び4a,4bにより形成される各コ
ンデンサに同時充電したときの電位分布曲線EP1及びEP2
は破線で示すようになる。つまり、電極3a,3bにより形
成される電位分布曲線EP1と電極4a,4bにより形成される
電位分布曲線EP2とが事実上分離されるようになって、
隣接する電極3a,3b及び4a,4bの各対を近接配置した場合
でも、各電極対毎に略独立した電位分布を形成すること
が可能となるものであり、本願はこのような現象を利用
して成立している。

さて、第１図及び第２図には本発明の第１の実施例が
示されており、以下これについて説明する。尚、この第
１の実施例は、前記第５図（ｄ）に示した基本原理構造
のものを拡張したものである。

第１図において、静電アクチュエータ11の固定子12
は、互いに所定間隔を存するように平行配置された１対
の電極支持体13及び14と、これら電極支持体13及び14の
各対向面に夫々均等ピッチにて列状に支持固定された例
えば６対の電極13a〜13f及び14a〜14fとにより構成され
ている。この構成の結果、上記電極13a〜13f及び14a〜1
4fの各対によって夫々コンデンサが形成される。

また、静電アクチュエータ11の可動子15は、６個の強
誘電体16a〜16fを互いに所定間隔を存した状態で一例状
に連結した構成となっており、その一端部に負荷17が連
結される。尚、強誘電体16a〜16fの配列ピッチは、前記
電極13a〜13f及び14a〜14fの各対と同一ピッチに設定さ
れている。

しかして、前記電極支持体13及び14の各対向面には、
各電極13a〜13f及び14a〜14fのうち隣接するもの同士間
に、導電材料製の電界分離板18a〜18e及び19a〜19eが各
電極と絶縁した状態で配設されていると共に、電極13a,
13f及び14a,14fの外側部位にも導電材料製の電界分離板
18f,18g及び19f,19gが同じく絶縁状態で配設されてい
る。

上記構成において、今、可動子15が第１図の位置にあ
る状態で、電極13a〜13f及び14a〜14fの各対に直流電源
20の出力電圧を印加し、以て各電極対により形成される
コンデンサを充電した場合には、可動子15の各強誘電体
16a〜16fが上記コンデンサの静電エネルギを減らす方向
への吸引力（推力）を受けて移動し、その静電エネルギ
が最小となる位置（電極13a〜13fの各中心と強誘電体16
a〜16fの各中心が一致した位置）に停止保持される。こ
の場合、上記強誘電体16a〜16fは、均等ピッチで配置さ
れた複数対の電極13a〜13f及び14a〜14f間にその配置ピ
ッチと同等の配列ピッチで配置されているから、各誘電
体16a〜16fに作用する移動力が同時に発生することにな
り、結果的に大きな移動力（推力）を得ることができ
る。

このように電極13a〜13f及び14a〜14fの各対に同時に
電圧を印加した場合、各電極対は夫々の近傍の電位に互
いに影響を及ぼし合うようになる。しかし本実施例の場
合、電極13a〜13f及び14a〜14fのうち隣接するもの同士
間並びに各電極群の外側には、導電材料製の電界分離板
18a〜18g及び19a〜19gが設けられているから、第２図に
破線で示すように、電極13a〜13f及び14a〜14fの各対に
よる電位分布曲線EPa〜EPfが上記電界分離板18a〜18g及
び19a〜19gにより分離された状態となり、結果的に各電
極対毎に独立して任意の電位分布が得られるようにな
る。従って、多数の電極13a〜13f及び14a〜14fの各対
を、それらの間の距離を小さくして稠密実装した場合に
おいても、各電極対毎に独立した任意の電位分布を確保
することができ、これにて出力／重量比及び出力／容積
比の増大を実現できるようになる。因みに、本実施例の
構成によれば、電界分離板18a〜18g及び19a〜19gを設け
ない構成（従来構成に相当）に比して、６倍程度の推力
が得られた。

また、電極13a〜13f,14a〜14f並びに電界分離板18a〜
18g,19a〜19gの製造に当たっては、リソグラフィ，薄膜
体積法などの半導体製造技術を応用できて、きわめて微
小且つ精密な集積構造とすることが可能となるから、全
体の大幅な小形化を実現できる。

尚、上記実施例において、強誘電体16a〜16fに代えて
複数のエレクトレットを設けると共に、各エレクトレッ
トのうち隣接するもの同士間に導電材料製の電界分離板
を配置する構成とすることもできる。

第３図には前記第１の実施例と同様の効果を奏する本
発明の第２の実施例が示されており、以下これについて
説明する。

即ち、固定子26は、電極支持体27及び28の各対向面
に、例えば３対ずつの電極27a〜27c及び28a〜28cを配列
すると共に、これら電極27a〜27c及び28a〜28cの各両側
に合計６個ずつの比較的小さな電界分離板29a〜29f及び
30a〜30fを配列して構成される。尚、この場合におい
て、各電界分離板29a〜29f及び30a〜30fを接地する構成
としても良い（第３図では電界分離板29e,29f,30e,30f
を接地した状態を示す）。

第４図には本発明の第３の実施例が示されており、以
下これについて説明する。

即ち、この実施例は、軸31a中心に回転する回転子31
を備えた回転形の静電アクチュエータ32を対象としたも
のであり、誘電体より成る回転子31を挟むように配置さ
れた円板状の固定子33及び34は、多数対の電極33a及び3
4aと電界分離板33b及び34bを交互に放射状配列して構成
されている。このように構成した本実施例においても、
電界分離板33b及び34bがない従来構成に比して大きな推
力を得ることができるものであり、電極及び電界分離板
をさらに微細に分割して多数設けるようにすれば、従来
構成の10〜100倍程度の推力増加も十分に期待できる。

［発明の効果］ 本発明によれば以上の説明によって明らかなように、
コンデンサを形成するように配置された複数対の電極の
うち隣接するもの同士間に導電材料製の電界分離板を各
電極と絶縁した状態で配置するするなどの構成としたの
で、互いに隣接する複数の電極対に同時に電圧を印加し
た場合でも各電極対毎に独立して任意の電位分布が得ら
れるようになり、これにより多数の電極対の稠密実装を
実現できて、出力／重量比及び出力／容積比を大きくす
ることが可能になるという優れた効果を奏するものであ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明の第１の実施例を示すもの
で、第１図は全体の概略的な側面図、第２図は固定子部
分の概略的な側面図であり、また、第３図は本発明の第
２の実施例を示す第２図相当図、第４図は本発明の第３
の実施例を示す全体の概略的な斜視図、第５図は基本原
理を説明するための第２図相当図である。 図面中、11,32は静電アクチュエータ、12,26,33,34は固
定子、13,14,27,28は電極支持体、13a〜13f,14a〜14f,2
7a〜27c,28a〜28c,33a,34aは電極、15は可動子、16a〜1
6fは強誘電体、18a〜18g,19a〜19g,29a〜29f,30a〜30f,
33b,34bは電界分離板を示す。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】コンデンサを形成するように均等配置され
   た複数対の電極と、これら電極間に当該電極の配置間隔
   と同等の間隔で配置された複数の誘電体とを備え、前記
   複数対の電極のうち隣接する電極対に同時に電圧を印加
   するようにした静電アクチュエータにおいて、 前記電極のうち隣接するもの同士間に導電材料製の電界
   分離板を各電極と絶縁した状態で配置したことを特徴と
   する静電アクチュエータ。